题目内容

13.打井施工时要将一质量可忽略不计的坚硬底座A送到井底,由于A与井壁间摩擦力很大,工程人员采用了如图所示的装置.图中重锤B质量为m,下端连有一劲度系数为k的轻弹簧,工程人员先将B放置在A上,观察到A不动;然后在B上再逐渐叠加压块,当压块质量达到m时,观察到A开始缓慢下沉时移去压块.将B提升至弹簧下端距井口为H0处,自由释放B,A被撞击后下沉的最大距离为h1,以后每次都从距井口H0处自由释放.已知重力加速度为g,不计空气阻力,弹簧始终在弹性限度内.
(1)求下沉时A与井壁间的摩擦力大小f和弹簧的最大形变量△L;
(2)求撞击下沉时A的加速度大小a和弹簧弹性势能Ep;
(3)若第n次撞击后,底座A恰能到达井底,求井深H.

分析 (1)A开始缓慢下沉时,受力平衡,根据平衡条件求解f,底座质量不计,所以合力为零,结合胡克定律求解;
(2)撞击后AB一起减速下沉,对B,根据牛顿第二定律以及功能关系求解;
(3)A第二次下沉,由功能关系求出下降的距离与第一次下降距离的关系,同理求出第三次下降的距离与第一次下降距离的关系,进而求出第n次下沉过程中向下滑动的距离,再结合数学知识求解.

解答 解:(1)A开始缓慢下沉时,受力平衡,则有:
f=2mg
底座质量不计,所以合力为零,所以始终有:
k△L=f
解得:$△L=\frac{2mg}{k}$
(2)撞击后AB一起减速下沉,对B,根据牛顿第二定律得:
k△L-mg=ma
解得:a=g,
A第一次下沉,由功能关系得:
mg(H0+△L+h1)=EP+fh1
解得:${E}_{P}=mg({H}_{0}-{h}_{1}+\frac{2mg}{k})$
(3)A第二次下沉,由功能关系
mg(H0+△L+h1+h2)=EP+fh2
又f=2mg
解得:h2=2h1
A第三次下沉,由功能关系有:
mg(H0+△L+h1+h2+h3)=EP+fh3
解得  h3=4h1
同理  A第n次下沉过程中向下滑动的距离为:
${h}_{n}={2}^{n-1}{h}_{1}$
所以井底深度为:$H={h}_{1}+{h}_{2}+{h}_{3}=({2}^{n}-1){h}_{1}$
答:(1)求下沉时A与井壁间的摩擦力大小f为2mg,弹簧的最大形变量△L为$\frac{2mg}{k}$;
(2)求撞击下沉时A的加速度大小a为g,弹簧弹性势能为$mg({H}_{0}-{h}_{1}+\frac{2mg}{k})$;
(3)若第n次撞击后,底座A恰能到达井底,则井深H为(2n-1)h1.

点评 本题主要考查了平衡条件、牛顿第二定律以及功能关系的直接应用,要求同学们能正确分析物体的受力情况,第三问能求出每次下降距离的数学表达式,再根据数学知识求解,难度较大.

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